【引言】

二維（2D）元素層狀晶體，如石墨烯、黑磷（B-P）等由于其豐富的物理化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)得到了研究人員的極大關(guān)注。而在實際的電子器件應(yīng)用中，石墨烯雖然具有極高的電子遷移率，但缺少邏輯器件所必需的帶隙；作為一種替代材料，B-P的載流子遷移率可高達(dá)1000 cm² V^-1 s^-1，然而B-P不太穩(wěn)定，在室溫大氣環(huán)境下會快速降解。
黑砷（B-As），作為B-P的“表親”，其與B-P具有相似的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，預(yù)計也應(yīng)具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。理論預(yù)測表明，B-As的電子能帶結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的層數(shù)依賴性：塊體層狀B-As是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙值大約為0.3 eV；而單層B-As是一種間接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙值約為1-1.5 eV。此外，研究人員預(yù)測少層B-As也具有高的載流子遷移率，這些優(yōu)異的物理性質(zhì)使其成為應(yīng)用于微納電子器件領(lǐng)域的一種候選材料。然而，迄今為止，黑砷晶體的實驗報道還非常少，其晶體合成仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。今年，美國加州大學(xué)伯克利分校的吳軍橋教授團(tuán)隊，率先報道了二維黑砷的優(yōu)異物理特性和潛在器件應(yīng)用，特別是比黑磷更加明顯的面內(nèi)各向異性（Adv. Mater. 2018, 30, 1800754.）。

【成果簡介】

近日，中科院半導(dǎo)體研究所的魏鐘鳴研究員（通訊作者）等人通過利用黑砷的天然礦，制備出單層和少層砷基場效應(yīng)晶體管（FETs），并系統(tǒng)研究了電場調(diào)控下載流子輸運特性。發(fā)現(xiàn)二維B-As基場效應(yīng)晶體管的性能很大程度上取決于晶體的厚度，與其他層狀材料相比，在少層B-As FETs中可以實現(xiàn)較大的開關(guān)電流比以及相對較高的載流子遷移率；此外，B-As晶體也表現(xiàn)出相對良好的環(huán)境穩(wěn)定性，少層砷基FET在空氣中暴露一個月后仍能正常工作。該成果以題為“Thickness-Dependent Carrier Transport Characteristics of a New 2D Elemental Semiconductor: Black Arsenic”發(fā)表于著名材料期刊Adv. Funct. Mater.。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一 b-As晶體的表征

（a）具有層狀特性的b-As晶體結(jié)構(gòu)模型
（b）單層和多層b-As薄片的顯微拉曼光譜
（c、d）b-As晶體的HRTEM和選區(qū)電子衍射（SAED）圖像

圖二 單層b-As場效應(yīng)晶體管的表征

（a）單層b-As場效應(yīng)晶體管的截面示意圖
（b）單層b-As場效應(yīng)晶體管的AFM圖像
（c）不同漏源電壓下（從-0.01到-1 V）單層器件的輸運特性（I_ds-V_g），其左側(cè)是對數(shù)刻度，右側(cè)是線性刻度
（d）不同柵極電壓下（0到-20 V）器件的輸出特性

圖三 b-As場效應(yīng)晶體管載流子輸運與厚度及溫度之間的相關(guān)性

（a）在V_ds為-0.5 V時，b-As的載流子遷移率及開關(guān)電流比與材料厚度之間的函數(shù)關(guān)系曲線
（b）三種代表性厚度（4.6、8.9和14.6 nm）的砷基場效應(yīng)晶體管的輸運特性，插圖表示厚度為14.6 nm樣品的輸出特性
（c）不同溫度下厚度為9.5 nm的b-As場效應(yīng)晶體管的輸運特性（I_ds-V_g）
（d）載流子遷移率隨溫度的變化關(guān)系，在溫度約為230 K處載流子遷移率出現(xiàn)峰值，為52 cm² V^-1 s^-1，在低溫區(qū)域，載流子遷移率主要受限于雜質(zhì)散射，在高于230 K的區(qū)域，載流子遷移率隨著溫度的升高而快速降低，其變化關(guān)系可由μ∝T^-α表示，其中α≈0.3，這是由于在該溫度區(qū)域內(nèi)晶格散射占主導(dǎo)地位

圖四 b-As器件的環(huán)境穩(wěn)定性

（a）少層b-As晶體管的漏源I-V特性與環(huán)境暴露時間之間的關(guān)系，可以看出26天后，晶體管仍保持良好的歐姆接觸性能
（b）晶體管的輸運性能隨暴露時間的變化關(guān)系
（c）該晶體管的載流子遷移率和開關(guān)電流比與暴露于空氣中的時間之間的函數(shù)關(guān)系，隨著暴露時間的增加，該晶體管的遷移率從26 cm² V^-1 s^-1非線性降低至約為8.4 cm² V^-1 s^-1，而開關(guān)電流比卻從69增加至約為97，對于該場效應(yīng)晶體管，砷的厚度為11.9 nm，溝道長≈2 μm，溝道寬≈2 μm
（d）b-As中的氧含量與暴露于空氣的時間之間的函數(shù)關(guān)系，該數(shù)值取自HAADF STEM-EDX結(jié)果

圖五 少層b-As的電子性質(zhì)

（a）單層原子結(jié)構(gòu)和相關(guān)布里淵區(qū)的俯視圖
（b）理論計算的單層黑砷的電子能帶結(jié)構(gòu)
（c、d）CBM和VBM的電荷分布
（e）黑砷的帶隙變化與層厚之間的函數(shù)關(guān)系

【小結(jié)】

本文制備出機(jī)械剝離的單層和少層b-As基場效應(yīng)晶體管并詳細(xì)地研究了它們的電學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)其性能與材料厚度有直接關(guān)系，當(dāng)樣品厚度約為5.7 nm時所得載流子遷移率最高，可達(dá)59 cm² V^-1 s^-1，當(dāng)樣品厚度約為4.6 nm時所得開關(guān)電流比最高，可達(dá)>10⁵。載流子遷移率的溫度依賴性研究表明載流子遷移率的峰值出現(xiàn)于230 K處，低于230 K時，載流子主要受限于雜質(zhì)散射的影響，而晶格散射在高溫下占主導(dǎo)地位。此外，b-As擁有相對良好的環(huán)境穩(wěn)定性，這對其實際應(yīng)用至關(guān)重要。該研究結(jié)果表明少層b-As基FETs是一種有望應(yīng)用于多功能微納電子器件的候選材料。